纳米磁珠的应用和发展

纳米磁珠技术兴起于20世纪70年代的一种核酸纯化和富集的方式，挪威科技大学的化学家John Ugelstad对该技术的贡献功不可没，他在1976年就以聚苯乙烯为主材料，制备了均匀磁化的球体粒子 。1979年，Vogelstein等报道：在高浓度碘化钠存在下，玻璃粉末作为吸附剂用于从琼脂糖凝胶中提取DNA片段；直至1983年，Ugelstad等再次提出将免疫磁珠（Immunomagnetic Beads，IMB）用于细胞分选；1990年，Mihenyi建立了磁性细胞分选技术（MACS），经过不断的技术突破，免疫磁珠技术可用来分离人类各种细胞，如红细胞、外周血嗜酸/碱性粒细胞、神经干细胞、造血细胞、T淋巴细胞、人类关节滑膜细胞、树突状细胞、内皮细胞及多种肿瘤细胞等。其中T细胞分选应用最为突出，这也让CAR-T细胞疗法得以快速发展，成为近年来最有前景的肿瘤免疫疗法。

磁珠在CGT中的应用

纳米磁珠一般由磁性内核及包裹在内核外的高分子材料壳构成，因此在施加外电场的情况下，磁珠在磁场中做定向运动，辅以微控制和检测手段就可以实现磁珠的定位和介质分离。它们的直径一般非常小，市场上纳米磁珠的粒径在50至500nm之间，在具体应用上会根据研究需求和制备工艺来选择不同大小的磁珠。

基本上纳米磁珠固态的球状材料组成并无太大差异，具有典型的核心——包膜——特殊修饰的三层结构。三层机构中最内层的核心是聚苯乙烯，第二层是包裹磁性物质，如：四氧化三铁（Fe₃O₄）或伽马三氧化二铁（y-Fe₂O₃）或二者的混合物，最外层表面是官能基团修饰的高分子材料所构成，官能基团起到吸附的作用，表面官能基团随着提取、生物素捕获、片段筛选功能的不同而有所不同。表面官能基团可分为硅羟基磁珠，羧基磁珠，氨基磁珠，甲苯磺酰基磁珠等不同种类。

相对比传统的分离技术，包含的沉淀、离心、纯化等分离方法的步骤繁杂、费时长、效率低、并有可能接触有毒试剂，难以实现自动化规模操作。而采用纳米磁珠分离技术就能很好地克服这些缺点，不仅能实现快速高效地制备样品，并且其能实现多个领域的应用也是未来生物发展的一个重要考量。纳米磁珠不仅局限于分离细胞和提取蛋白质及核酸的作用，它还可应用于体外诊断、靶向药物载体、基因治疗等各种应用。

◎细胞分选

在磁珠表面添加吸附剂或其他配基，使它们与目标细胞特异性结合，外加磁场的作用，可以快速的对细胞进行分选。磁珠还可以在微生物中的细菌分离、纯化和检测中也有重要的应用，利用免疫磁珠结合其他免疫检测方法，可以高效、快速和准确的分离样品中的微生物，对精准疾病的预防和治疗具有重要意义。

◎核酸提取

磁珠在以核酸杂交、核酸扩增及核酸序列分析为代表的分子诊断和检测技术等诸多领域中日益凸显出重要的作用。通过一定表面修饰的磁珠能有效吸附核酸，帮助我们实现核酸的高质、高产、高通量以及流程自动化提取。

◎体外诊断

在火热的体外诊断市场上，磁珠在其中也扮演着不可替代的重要角色。体外诊断根据其检验原理和方法的不同可分为血液学诊断、生化诊断、免疫诊断、分子诊断、微生物诊断等。另外，生物磁珠还可运用在生物芯片、发光检测和疾病治疗等方面，甚至还能做造影剂，具有无比广阔的应用前景。

◎靶向药物载体

纳米磁珠表面修饰特异性的配体能成为很好的靶向性载体，能逃逸网状内皮细胞系统的吞噬，既可结合药物分子，又可保护药物分子，并具有优良的导向性和方向性。载药的纳米磁珠注入肿瘤组织附近后，通过外磁场导航准确靶向病灶部位，持续缓慢释放药物，在提高靶区药物浓度的同时，可减轻对正常组织的损伤，从而降低其生理毒性，有选择性地抑制或杀灭肿瘤细胞。

◎基因治疗

纳米磁珠作为非病毒载体，无免疫原性，因为其拥有较大的比表面积，表面所带的电荷使其能装载大量的大片段分子；并且它的靶向性，也给人为操纵提供了可能：在其表面包覆一些生物材料，还能使其具有良好的生物相容性。以纳米磁珠为载体将外源正常基因导入靶细胞，以纠正或补偿因基因缺陷和异常引起的疾病，从而达到基因治疗目的。

由于纳米磁珠是性质优良的偶联载体，同时具有结合与分离的功能，能够大大地简化传统复杂性的实验操作，具有明显的提高分离和富集效率优势，因而在生物学和医学领域得到了广泛的应用。比如当今备受关注的CAR-T疗法，在将T细胞免疫‘战士’变成‘超级战士’前，必须分离富集获得我们需要的目的细胞，而磁珠在这个过程中就发挥了积极作用。选用纳米磁珠作为T细胞分选策略，市场上主要有CD3、CD4或者CD8的分选磁珠试剂。

通常使用免疫磁珠进行分离细胞有两种方式：①阳性分选：直接从细胞混合液中分离出靶细胞；②阴性分选：用免疫磁珠去除无关细胞，使靶细胞得以纯化。纳米级磁珠分选方式采用的有柱式分选和无柱式分选，这个也是基于磁珠分选的方式有关。其中有柱式分选选用的磁珠大小在50-100nm，由于有分选结构柱增大磁场力强度，所以仅需少量的磁珠标记就可以进行细胞分选，并且可以无需去除磁珠（阳性分选）。因此，阳性分选出的细胞（即磁性标记细胞）可立即用于分析和随后的实验。而无柱式的纳米级分选磁珠选用的是200-500nm大小磁珠，这是由于这个粒径大小的磁珠磁力相对较弱，在分选过程中需要大量的磁珠抗体和细胞表面抗原结合，细胞才能通过磁铁吸附分选出来。不过过量的磁珠抗体标记可能会对细胞功能造成影响，所以采用无柱式分选的磁珠标记非目的细胞，达到去除非目的细胞的要求（阴性分选）。

另外，纳米磁珠分选细胞除具有明显的提高分离和富集效率优势外，还具有操作简便、高效便捷、低刺激温和不改变细胞原本生物学特性优势，另外获得的细胞可以直接用于细胞培养。

小结：在现代医学与生物学领域中，纳米材料与精准医学的深度融合，形成纳米精准医学，这都得益于科研人员充分利用纳米材料的独特优势来解决疾病的精准诊断和治疗。如今免疫磁珠作为CAR-T细胞制备过程中重要物料，免疫磁珠的功能性应用也被得到了最大化呈现和利用。同立海源生物免疫磁珠生产线同时拥有微米和纳米两个平台，可以满足不同客户工艺需求，而且部分磁珠产品已完成美国FDA的DMF备案，助力细胞药物申报进程。

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